程控高增益选频放大器设计报告

程控高增益选频放大器设计报告

[摘要]：本文介绍的选频放大器是以单片机AT89s52为核心,通过控制X9C103P和选频电路模块以及AD603来实现选频和高增益放大功能。该程控高增益选频放大器不仅具有对信号进行选频、放大的功能,还可以实现高增益,以及精确到1HZ的步进调节,具有较高的性能指标。

[关键词]：程控放大器 AT89s52 X9C103P AD603

一、方案设计及论证

1、选频模块设计方案论证与选择

方案一:采用状态变量滤波器进行选频该滤波电路的选频效果很好,但是由于放大倍数A和中心频率f以及带宽B互相制约,即B与放大倍数A成正比,当B在100Hz之内,f在1300Hz到3100Hz之间变化时,放大倍数A会很大,会使信号波形发生畸变失真。另一种方法是采用文氏桥式选频放大器电路作为选频网络以及信号放大。由于它的品质因数Q和放大倍数A成正比,当需要得到很窄的频带B就需要相当大的品质因数Q,即放大倍数A随Q的增加而增大,当Q很大时同样会造成信号波形失真。

方案二:为了克服通频带宽度B,品质因数Q和放大倍数A的相互制约,我们选用“带通滤波器”电路来进行信号选频,此电路可以实现对信号中心频率、放大倍数、通频带宽度的独立调节,三者互不影响。传统选频电路的品质因数受增益的制约,为使信号不失真通频带都很

宽,选频效果很差,而“带通滤波器”恰好可以克服这个缺点,可实现在增益唯一、中心频率可调的条件下,仍有很大的品质因数,使通频带很窄可低于100Hz甚至更低。这只需要调节变阻器的电阻值就可以实现。

综上所述,我们选择方案二，采用“带通滤波器”作为选频模块的核心可以达到很高的指标要求。

2、高增益程控放大模块计方案论证与选择

方案一:通过多级放大器级联的形式实现高增益(当反馈电阻采用数字电位器时,就可以达到程控功能),但这样放大效果很差,各级放大电路互相干扰影响,增益倍数会比理论值下降很多。且多级级连电路复杂,不确定因素很多,不易控制。

方案二:采用高增益程控放大器AD603实现。AD603是一个可以通过单片机来控制放大倍数的程控放大器,其放大倍数可以高达51dB,我们通过改变加在GPOS与GNEG引脚上的电压,就能控制放大器的增益倍数,增益的调整步长最小可以达1dB。由于AD603是通过软件控制实现放大功能,所以整个系统几乎不受外界干扰,即便是多个放大器级联也不会互相干扰,能达到很高的增益倍数。

综上所述，我们选择方案二。

3、MCU模块设计方案论证与选择

方案一:采用普通的80C51系列,可以实现多项功能,但是它的内部没有高速AD、DA、比较器等子系统,需要进行外围电路扩展,电路系统复杂,而且占用单片机引脚,造成资源浪费方案二:采用

C8051F02单片机。C8051F02是一个全集成混合信号SoC(System On Chip)高速、高性能单片机。C8051F02单片机内,集成了两个多通道ADC子系统(每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器)、两个电压输出DAC、两个电压比较器、电压基准、SMBus/I2C总线接口、UART、SPI总线接口、一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列(PCA)等,功能齐全。它的引脚可以用软件定义,程序的移植性很强,具有很强的控制能力。

综上所述，由于实际原因，我们选择方案一。

4、键盘与显示模块的设计方案论证与选择

结合我们选用的主控单片机AT89s52的特点,显示部分我们选用键盘,配合1602液晶，通过AD转换显示。

二、硬件系统

1、总体设计

系统框图如下所示:

2、各模块及数据计算:

(1)选频放大模块

电路如图所示,LM324系统用于选频,为了进行程控我们将滑动变阻器R、R2和R3改用数字电位器X9C103作为频率调节电阻。用程序控制数字电位器,可实现小于50HZ的步进,精度高。通过脉冲控制

X9C103来实现对中心频率和步长的调节。选用103的数控电位器,中心频率调节范围在1kHz~3.2kHz,步长调节范围在1HZ~50HZ。

(2)、选频网络计算公式:

通频带B=|3-Auf|*f0=f0/Q;

比例系数 Auf=1+（Rf/R1）；

中心频率f0=1/(2πRC); 其中R2=R,R3=2R;C1=C2=C；

当f=f0时，通带放大倍数 Aup=Q*Auf；

根据上面的公式选取合适的电阻值。R、R2和R3选用数字电位器，根据中心频率范围1.3khz—3.1khz来确定R的大小，令C=10nF，则R=5.16k—12.3k，数字电位器X9C103满量程为10k， 故需要串联400欧的电阻才能满足要求；中心频率的步进小于50hz，故数字电位器的电阻变化要小于500欧，具体做法通过单片机控制数字电位器的接入电路的电阻。根据通频带的宽带不大于100hz，可以确定R1和Rf的大小，f0范围为1.3k—3.1k，故Auf的范围为2.9—2.97，从而可以确定R1和Rf的值。

为了提高稳定性,在选频放大输出端接射极跟随器,以稳定输出电压。在电源接电容滤波以增强电路的抗干扰性。

(3)高增益程控放大模块

电路如图所示,采用三个AD603放大系统串联,实现高增益放大功能。第一级和第二级的GPOS与GNEG之间接固定的电压分别实现31dB和51dB放大,第三级将两个引脚接可调的输入电压,其中GNEG的电压是固定值，通过改变GPOS的电压来改变其两脚的电压差值，从而改变增益，增益在-10dB--+30dB范围内,并且调节步长可自己设定为1dB--6dB,三极放大的级联可实现高达112dB的增益。

第三级AD603的引脚GPOS电压通过单片机进行DA0832转换来实现的，如下图

这个电路的优点是,它不受级联和外界的干扰,非常精确的实现放大要求。而且它的灵活性很 强,可通过改变输入和程序中的引脚设置就能改变放大倍数。

三、实验分析与测试

（1）由于放大倍数太大，实验室没有0.01mV交流电，故采取分开测试，测得增益70dB—110dB，调整步长为6dB左右，符合设计要求。

（2）由于实验室条件的限制放大器的中心频率与通频带无法准确的测量，结果大致符合要求，但理论仿真如下：中心频率为1.03khz—

3.26khz；调整步长为3hz--50hz不等；通频带为9hz—95hz；都符合设计要求。

（3）显示部分可以通过单片机用1602显示增益与中心频率，通过修

改程序能准确的显示出来，符合设计的基本要求。

注：由于实际测量的问题，选频模块衰减20dB，故我把放大模块改用四级放大，第一级和第四级采用uA741各放大30dB和40dB，第二级和第三级采用AD603放大，第三级放大30dB，

第二级放大可调增益为﹣10dB—30dB；总体放大增益为70dB—110dB。

[参考文献]：

[1]华成英、童诗白:《模拟电子技术基础》,高等教育出版社出版。

[2]谢佳奎:《电子线路》(第4版),高等教育出版社出版。

[3]http://www.21ic.com/。

[4]AD603芯片资料。

[5]10K数字电位器x9313WP（或x9312wp或x9c103P）芯片资料。

[6]1602资料。

[7]AD0809和AD0832资料。